柔性綠色格賓擋墻在市政工程中的應(yīng)用

馬 瑤，馬 奔，陸 鵬

（西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710068）

0 引言

綠色加筋格賓擋墻是一種柔性加筋擋土墻，是由一系列綠色加筋格賓單元連接而成，單個(gè)結(jié)構(gòu)單元主要由六邊形鋼絲網(wǎng)面、焊接金屬網(wǎng)、金屬三角支架、金屬支撐桿、生物墊等部件組合而成[1]。由于其良好的經(jīng)濟(jì)性、耐久性、整體性、生態(tài)環(huán)保性[2]被廣泛的應(yīng)用于公路、鐵路、水利等工程中，但于市政工程中較少應(yīng)用。本文通過分析研究，提出目前規(guī)范及相關(guān)研究中存在的一些不足，給出計(jì)算步驟，并通過算例分析其合理性。同時(shí)針對市政工程管溝工程較多的特點(diǎn)，提出其適應(yīng)的施工工藝。

1 目前存在的不足

1.1 面板分類不全

傳統(tǒng)加筋土擋土墻墻面面板可采用金屬面板、鋼筋混凝土面板或混凝土面板，其強(qiáng)度等級不宜低于C20，厚度不應(yīng)小于80 mm[3]；墻面宜采用鋼筋混凝土預(yù)制件[4]。規(guī)范中規(guī)定的面板均為剛性面板，而擋墻設(shè)計(jì)計(jì)算方式與面板有密切關(guān)系，當(dāng)無面板且加筋坡面與水平面夾角小于70°時(shí)按加筋土路堤設(shè)計(jì)[5]；有面板及無面板但夾角大于70°時(shí)按加筋土擋土墻設(shè)計(jì)[4]。

本文中提及的綠色加筋格賓擋墻，其面板由焊接金屬網(wǎng)、三角支架及支撐桿體系組成，既不屬于剛性面板，但也不同于反包土工合成材料路堤加筋形式[5]，本次按柔性面板加筋土擋土墻設(shè)計(jì)。

1.2 破裂面論述

公路行業(yè)中，對于剛性面板加筋土擋土墻簡化破裂面目前為0.3 H破裂面[4]，如圖1所示，上部平行于墻面，距離墻面的距離bH為0.3 H，下部通過坡腳，與水平面的夾角為45°+φ/2-α/3。

圖1 0.3 H破裂面

由于加筋土擋墻實(shí)際破裂面不僅與面板剛度、筋材抗拉模量、筋材延伸率有關(guān)，還與填料類型、加荷方式、施工工藝、筋材長度、填土高度等均有關(guān)系，無法一概而論。而對于柔性面板加筋土擋墻的破裂面，由于其柔性更大，破裂面更趨向于朗肯破裂面，其簡化破裂面如圖2所示，破裂面與水平面的夾角為45°+φ/2，筋材加長時(shí)，破裂面有遠(yuǎn)離坡面趨勢，但不會(huì)無限遠(yuǎn)離。本文采用朗肯破裂面計(jì)算其內(nèi)部穩(wěn)定性。

圖2 朗肯破裂面

2 設(shè)計(jì)計(jì)算

設(shè)計(jì)計(jì)算包括內(nèi)部穩(wěn)定性及外部穩(wěn)定性的驗(yàn)算；加筋土擋墻最為關(guān)鍵的為筋材長度及間距確定。本文提出基于柔性面板的筋材計(jì)算長度及間距的方法，同時(shí)進(jìn)行筋材抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算及整體穩(wěn)定性驗(yàn)算，而抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、地基承載力、地基沉降計(jì)算與重力式擋墻計(jì)算機(jī)理相同，本文不再論述。

2.1 筋材長度計(jì)算

筋材長度包括活動(dòng)區(qū)長度Lei及錨固區(qū)長度Lai，Lei根據(jù)朗肯破裂面得到，Lai根據(jù)式（1）得到：

式中：Tpi為永久荷載作用下，Zi層深度處，筋材有效錨固長度所提供的抗拔力，kN/m；fGS為筋土界面阻力系數(shù)；σi為永久荷載引起的豎向土壓力，kPa；σi=γ（Zi+h1），h1為加筋體上坡面填土換算等代均布土層厚度，m。

而所需抗拔力Tpi由式（2）、（3）確定：

式中：Ti為Zi層深度處筋材所承受的水平拉力設(shè)計(jì)值，kN/m；σEi為加筋體深度處作用于墻面上的水平土壓力應(yīng)力，kPa；Δh1為第i層筋材的加筋間距，m。

需滿足抗拉強(qiáng)度驗(yàn)算，即式（4）、式（5）

式中：γc為結(jié)構(gòu)性系數(shù)；γf為筋材抗拉性能分項(xiàng)系數(shù)；Ta為筋材設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度，kN/m；τult為筋材極限抗拉強(qiáng)度；RF為總折減系數(shù)；RFCR為蠕變折減系數(shù)；RFD為老化折減系數(shù)；RFID為施工損傷折減系數(shù)。

2.2 水平土壓力計(jì)算

朗肯破裂面對應(yīng)的水平土壓力系數(shù)Ki如圖3所示，計(jì)算公式見式（6），σEi計(jì)算見式（7）。

圖3 水平土壓力系數(shù)分布系數(shù)

式中：φ為加筋填料綜合內(nèi)摩擦角，（°）；σfi為車輛荷載、人群荷載作用下加筋體內(nèi)深度處Zi的豎向壓應(yīng)力，kPa（計(jì)算詳見參考文獻(xiàn)[3]）。

2.3 整體穩(wěn)定性驗(yàn)算

計(jì)算模型見圖4，其中滑動(dòng)圓弧圓心及半徑經(jīng)試算得來，圓心一般位于邊坡頂點(diǎn)D的西北象限內(nèi)，若滑動(dòng)面位于筋材范圍，還需考慮筋材抗拔力，計(jì)算公式見式（8）。

圖4 整體穩(wěn)定性計(jì)算模型

式中：ci為第i條土條黏聚力，kPa；xi為第i條土弧長，m；wi為第i條土重力，kN；βi為第i條土條滑動(dòng)弧的法線與豎直線的夾角，（°）；φi為第i條土條滑動(dòng)面處的內(nèi)摩擦角，（°）；pj為穿過破裂面的第j層筋帶的抗拔力，由破裂面以外錨固區(qū)范圍內(nèi)筋材長度所產(chǎn)生的摩阻力提供，為穿過破裂面的第j道筋帶與圓弧切線的夾角，（°）。

3 工程實(shí)例

西安市臨潼區(qū)秦漢大道市政工程西起西禹高速，東至秦兵馬俑景區(qū)，為城市主干路，同時(shí)也是一條文化旅游景觀大道。綠色加筋格賓擋墻設(shè)置于隴海鐵路—108國道段南北兩側(cè)輔道及人行道外側(cè)，全長411 m，墻高3~9.5 m，擋墻墻面坡比為1∶0.466，面墻傾角65°，墻頂外側(cè)土路肩設(shè)置人行欄桿以保證行人安全。擋墻橫斷面布置如圖5所示。

圖5 擋墻橫斷面布置圖

算例選用9.5 m擋墻進(jìn)行計(jì)算，筋材間距0.73 m，填料采用黃土，其容重γ=19 kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角φ=30°，修正后地基承載力特征值fa=180 kPa，τult=150 kPa，RF=1.6，fGS=0.4，荷載組合選用組合Ⅱ，筋材共13層，由基底起至路面標(biāo)高分別為1至13層。車輛荷載取值12 kN/m2，人群荷載取值3 kN/m2，基底摩擦系數(shù)取0.4。

由公式（1）至（7）計(jì)算可得其內(nèi)部穩(wěn)定性如表1所示。

表1 內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算表

擋墻的整體穩(wěn)定性采用理正設(shè)計(jì)軟件試算，當(dāng)筋材長度取6 m時(shí)，Ks=1.193＜1.25，圓弧滑動(dòng)半徑為11.677 m，不滿足整體穩(wěn)定性要求。當(dāng)筋材長度取7 m時(shí)，Ks=1.278＞1.25，圓弧滑動(dòng)半徑為11.963 m，圓心基于邊坡頂點(diǎn)D坐標(biāo)為（-3.922，0.527）,本次按筋材長度7 m布設(shè)。

同時(shí)，按筋材長度7 m計(jì)算，抗滑穩(wěn)定性方程的計(jì)算結(jié)果為207＞0，Kc=2.6＞1.3；抗傾覆穩(wěn)定方程的計(jì)算結(jié)果為3595＞0，Kc=10.93＞1.5；地基承載力的計(jì)算結(jié)果為σ=130.5 kPa＜180 kPa；均滿足規(guī)范要求。本例計(jì)算結(jié)果筋材長度選用7 m。關(guān)于計(jì)算結(jié)果的幾點(diǎn)討論：

一是根據(jù)內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算，所需筋材長度為變值，1層筋材最短，13層最長。

二是筋材所需最長僅2.7 m時(shí)即可滿足內(nèi)部穩(wěn)定性計(jì)算，遠(yuǎn)小于整體穩(wěn)定性驗(yàn)算所需7 m長度。

三是即便墻后填料取綜合內(nèi)摩擦角15°時(shí)，由計(jì)算得到其筋材最長長度為4.023 m，也小于整體穩(wěn)定性驗(yàn)算所需長度。

四是柔性面板加筋土擋墻計(jì)算主要控制指標(biāo)為整體穩(wěn)定性，且較長的筋材長度也可有效控制擋墻的側(cè)向穩(wěn)定位移，同時(shí)筋材長度還需滿足規(guī)范中關(guān)于構(gòu)造的要求。

4 市政工程中施工構(gòu)造措施

4.1 與管溝結(jié)合的施工工藝

秦漢大道市政工程設(shè)置的綠色加筋格賓擋墻，在筋材范圍內(nèi)有一道電力排管，混凝土包封，外尺寸為1.5×1.55 m，位于邊坡頂點(diǎn)D 1.75 m處，埋深0.9 m。該電力排管位于錨固區(qū)，影響11、12層筋材，如圖6所示。若擋墻與電力排管同步施工，由于排管距離擋墻面板較近，填料壓實(shí)度難以控制，無法保證其施工質(zhì)量，影響擋墻安全。

圖6 擋墻橫斷面布置圖（單位：m）

本文提出反挖溝槽的施工工藝，先將填料施工至13層筋材高度，然后開挖溝槽至排管設(shè)計(jì)底標(biāo)高，開挖過程中需剪斷筋材，并盡量較少擾動(dòng)。排管施工時(shí)將筋材澆筑于混凝土中，注意筋材應(yīng)盡量平整，以保證與混凝土之間的抗拔力，使筋材與排管成為統(tǒng)一整體。施工時(shí)應(yīng)分段進(jìn)行，減少筋材剪斷未澆筑的時(shí)間。該方法可保證填料壓實(shí)度，減少電力排管對擋墻的影響，并使之成為擋墻整體的一部分。經(jīng)實(shí)踐證明，該方法操作簡單，行之有效。

4.2 設(shè)置調(diào)節(jié)塊

本例在筋材頂設(shè)置混凝土調(diào)節(jié)塊，調(diào)節(jié)塊寬40 cm，采用C25混凝土澆筑，該調(diào)節(jié)塊有如下作用：

一是調(diào)節(jié)擋墻高度。

二是壓頂作用，增強(qiáng)筋材整體性，對于最薄弱的頂層筋材反包段來說，防止其破壞。

5 結(jié)語

綠色加筋格賓擋墻屬于柔性面板加筋擋土墻，本文提出的基于柔性面板加筋土擋墻設(shè)計(jì)計(jì)算方法及其在市政工程中應(yīng)用時(shí)的施工構(gòu)造措施，對于今后柔性面板加筋土擋墻的建設(shè)均具有借鑒意義。